自習(xí)室智能照明系統(tǒng)設(shè)計

趙凡

摘? 要：根據(jù)對學(xué)校現(xiàn)有自習(xí)室照明系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的自習(xí)室還是采用傳統(tǒng)的照明方法，無法根據(jù)教室人數(shù)的變化自動調(diào)節(jié)照明情況，這造成了極大的資源浪費(fèi)，為了減少教室燈光電能的消耗，最大限度節(jié)省電能，提出了一種智能的自習(xí)室照明系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，結(jié)合紅外傳感器和光敏電阻來達(dá)到智能控制的目的。

關(guān)鍵詞：智能照明;自習(xí)室;光照強(qiáng)度;紅外測量

中圖分類號：TU85? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0084-02

由于能源供需矛盾的日益突出，節(jié)能是一個永恒不變的話題，電力行業(yè)更是如此。照明的消耗成為繼空調(diào)、采暖電機(jī)之后的第三能源消耗大戶[1]。據(jù)統(tǒng)計表明在學(xué)校，照明能耗占到整個建筑物電量總能耗的25%～35%。由于大學(xué)開放型的管理模式，造成有時在借助外界環(huán)境能正常工作和夜晚室內(nèi)空無一人時，整個房間內(nèi)也是燈火通明[2][3]。據(jù)測算，這種現(xiàn)象的耗電占其單位所有耗電的40%左右。因此，開發(fā)設(shè)計一種基于單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)，在保證照明質(zhì)量的前提下，不僅有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且可為智能化校園舔磚加瓦[4]。

1 方案設(shè)計

在一個可以容納幾百人的大教室，使整個教室的照明可以達(dá)到智能控制的程度。照明系統(tǒng)有兩種狀態(tài)，一個是手動控制開關(guān)，此狀態(tài)教室內(nèi)燈分屬于幾個不同開關(guān)控制。這個只有在緊急的情況時才會采用此狀態(tài)工作，另一個狀態(tài)是全自動狀態(tài)，在此狀態(tài)工作時，每個電燈有其自己需照明的區(qū)域，各個區(qū)域的電燈互不干擾。在滿足光亮強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時，照明系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)，即不管怎樣電燈都不會亮。當(dāng)光照強(qiáng)度低于一定數(shù)值時（即不能滿足照明的需要），每個電燈測到屬于其自己的監(jiān)測范圍內(nèi)有人出現(xiàn)，即熱釋紅外探測傳感器模塊探測到有人時，就會啟動電燈。

本設(shè)計是希望根據(jù)教室具體的人數(shù)狀況和光照強(qiáng)度，智能化的自動控制燈的開關(guān)，要達(dá)到此目的，有兩種實現(xiàn)方案：方案一：此方案利用全硬件電路實現(xiàn)，硬件電路與傳感器結(jié)合使用，來達(dá)到本設(shè)計需要實現(xiàn)的要求;方案二：此方案用以單片機(jī)為核心，結(jié)合紅外傳感器和光敏電阻來達(dá)到智能控制的目的。比較上述兩種方案，方案一雖然簡單但不能完全達(dá)到智能控制電路，方案二精確度較高、實現(xiàn)方便、軟件設(shè)計也比較簡單，且只要改變軟件程序，便可以改變其功能，很方便，故本次設(shè)計采用了方案二。在方案二中，需要用到單片機(jī)、紅外傳感器、光敏電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等來實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合外圍電路、紅外線測量電路和光照強(qiáng)度測量電路組成。在綜合考慮功能與價格的基礎(chǔ)上選用AT89C51單片機(jī)作為主控制器。

本系統(tǒng)設(shè)計的中心環(huán)節(jié)就是檢測人的存在和光照強(qiáng)度來確定是否需要照明。其中采用可實現(xiàn)非接觸式測量，及抗干擾能力較強(qiáng)的熱釋電紅外傳感器作為判斷自習(xí)室內(nèi)是否有人的檢測裝置。它的測量波長范圍為0.2-20μm，而人體發(fā)出的紅外光波長為10μm[5][6]。為了提高對人體感知的靈敏度減少雜波的干擾，在傳感器窗口上加了一塊干涉濾波片，并添加了菲涅爾透鏡來增大傳感器的監(jiān)測區(qū)域。當(dāng)有人進(jìn)入到感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，人體本身所發(fā)出的紅外光透過菲涅爾透鏡被聚集后，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近聚焦在遠(yuǎn)距離區(qū)、中距離區(qū)、近距離區(qū)不同區(qū)域內(nèi)，紅外光就會被紅外探頭所接收，探頭可將光信號變成電信號，達(dá)到感知人的目的。光照強(qiáng)度的測量采用光敏電阻來實現(xiàn)。當(dāng)光照強(qiáng)度高于100LUX（室內(nèi)日光燈的一般強(qiáng)度），光敏電阻將系統(tǒng)閉鎖，日光燈將不會受到室內(nèi)紅外檢測信號的影響，照明電路不會啟動;當(dāng)光照強(qiáng)度高于100LUX（室內(nèi)日光燈的一般強(qiáng)度），系統(tǒng)將根據(jù)紅外檢測信號來決定是否啟用照明電路。系統(tǒng)還需要采用ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)將采集的模擬信號（光照強(qiáng)度和是否有人）轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號。綜上所述具體系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 硬件電路

圖2為系統(tǒng)總硬件電路圖，其中包括外圍電路，光照強(qiáng)度測量電路和紅外線測量電路三部分。

3.1 單片機(jī)的外圍電路

AT89C51的基本外圍電路由電源電路、時鐘電路與復(fù)位電路等組成。

其中電源電路采用全波整流電路，圖中的二極管IN4007是用來防止輸入端短路時輸出端電容向LM317EMP放電的。220V市電經(jīng)過降壓后得到12V交流電，經(jīng)二極管整流成脈動直流電，經(jīng)過電容濾波后再又經(jīng)過LM317EMP穩(wěn)壓得到5V的直流電供系統(tǒng)工作，1000uF的電容是起一個再次濾波的作用。

此設(shè)計用的是單片機(jī)的內(nèi)部時鐘，此時XTAL1和XTAL2分別接石英晶體的一端。51單片機(jī)內(nèi)部各部件的運(yùn)行都以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，因此時鐘頻率將會直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電容典型值選擇為30pF左右。晶振頻率越高則系統(tǒng)時鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度也越快。

本設(shè)計采用的是按鈕復(fù)位，當(dāng)用戶需要復(fù)位時，按下“復(fù)位”按鈕，便可使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

3.2 紅外線測量電路

本設(shè)計所用的熱釋電紅外傳感器就采用雙探測元的結(jié)構(gòu)。其工作電路原理及設(shè)計電路如圖3所示，在VCC電源端利用C1和R7來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當(dāng)檢測到人體移動信號時，電荷信號經(jīng)NMESFET放大后，經(jīng)過C2和R5的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再?jīng)過NPN的轉(zhuǎn)化，輸出OUT為低電平。

3.3 光照強(qiáng)度測量電路

由于單純的測量光照引起的電阻變化不是太明顯，所以需要加上一個放大電路，實現(xiàn)對測量信號的放大，接下來是需要借助于模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)將光電信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號。由于ADC0808的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號，在仿真系統(tǒng)中我們選用的是一個信號發(fā)生器，其產(chǎn)生500kHz的時鐘信號。在實際應(yīng)用中，可以用單片機(jī)內(nèi)部時鐘來實現(xiàn)。ADC0808將會輸出8位的二進(jìn)制的數(shù)字信號，此信號便可以直接接入到單片機(jī)內(nèi)部。

4 調(diào)試與仿真

根據(jù)硬件電路方案，用C語言設(shè)計系統(tǒng)的程序。軟件程序流程如圖3所示。采用Keil uVision將C程序進(jìn)行編譯，生成.hex的文件。此文件可以在仿真軟件PROTEUS中加載到其中的各元件中，實現(xiàn)仿真。

圖4所示為教室里人比較少時，光照強(qiáng)度低于設(shè)定值100LUX，可根據(jù)人的具體方位情況來決定各盞燈的實際開關(guān)的仿真效果圖。

仿真顯示，在滿足光亮強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時，照明系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)，即不管怎樣電燈都不會亮。當(dāng)光照強(qiáng)度低于一定數(shù)值時（即不能滿足照明的需要），每個熱釋紅外探測傳感器模塊探測到其監(jiān)測范圍內(nèi)有人時，就會啟動該傳感器所屬的電燈，且不會對其余區(qū)域的電燈造成影響。由此可見本設(shè)計具有可行性，能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，即證明了本設(shè)計的可實施性。

5 結(jié)束語

基于單片機(jī)的自習(xí)室智能照明系統(tǒng)，采用光敏電阻檢測光照是否符合照明條件，熱釋電紅外傳感器檢測是否有人，通過菲尼爾透鏡可擴(kuò)大傳感器的感應(yīng)范圍，能夠滿足使用要求。經(jīng)過仿真，系統(tǒng)可實現(xiàn)根據(jù)外界光照變化和有無人自動進(jìn)行照明的分配，構(gòu)成原理簡單，方案可行。

參考文獻(xiàn)：

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